Карбід кремнію проти літій-іонного акумулятора

Кремній давно вважається привабливим матеріалом для акумуляторів завдяки своїй здатності вміщувати в 10 разів більше іонів літію, ніж графіт; однак, один з недоліків кремнію полягає в його 3-кратному об'ємному розширенні при поглинанні іонів літію.

Механічні навантаження призводять до пошкодження поверхні твердого електроліту (SEI), що скорочує термін його служби. Вирішення цієї проблеми є ключем до розблокування попиту на автомобілі, дрони та побутову електроніку, що живляться від акумуляторів.

Вища щільність енергії

Карбід кремнію - це надзвичайно широкозонний матеріал з потенціалом для значного збільшення щільності енергії акумулятора. Він може витримувати набагато вищі напруги, ніж кремній, а також температури, при яких кремній розширюється під тиском. Крім того, карбід кремнію має нижчий електричний опір, що дозволяє отримати більше енергії з акумулятора при одночасному зменшенні розміру та ваги.

Карбід кремнію відіграє вирішальну роль у розвитку акумуляторних технологій, значно зменшуючи використання літію в елементах і водночас збільшуючи їхню здатність зберігати енергію. З розвитком акумуляторних технологій ми можемо досягти вищої щільності енергії для електромобілів та інших застосувань, що потребують акумуляторів з високою щільністю енергії. Карбід кремнію допомагає досягти цього, оскільки його властивості дозволяють значно зменшити вміст літію, одночасно збільшуючи ємність акумуляторів.

Сучасні аноди літій-іонних акумуляторів переважно складаються з графіту, проте графіт досягнув межі своєї щільності енергії. Більш ефективний анодний матеріал, такий як кремній (Si), став привабливою заміною графіту, оскільки він зберігає більше літію і, таким чином, створює більшу щільність енергії для акумуляторів електромобілів.

Кремній швидко розбухає під час заряджання літієм, що призводить до швидкої втрати ємності та виходу з ладу. Без можливості контролювати об'ємне розширення кремнієві аноди не будуть придатними для практичного застосування. Amprius Technologies запропонувала рішення з використанням нанодротяних структур, які допомагають обмежити розширення; це дозволило компанії досягти гравітаційної щільності енергії 3579 мАг-см-2 у стані заряду 30%.

Кремнієві аноди також можуть знизити ризик теплового розряду, який виникає, коли батареї перезаряджені або короткого замикання і швидко втрачають контроль над потоком електроенергії, нагріваючись до тих пір, поки не спалахнуть або не загоряться - один з основних ризиків, пов'язаних з використанням літій-іонних акумуляторів в електромобілях та інших додатках; кремнієві аноди забезпечують критично важливі поліпшення як для безпеки, так і для продуктивності.

Висока швидкість перемикання карбіду кремнію також допомагає полегшити роботу систем швидкого заряджання електромобілів. Зовнішні та бортові зарядні пристрої використовують напівпровідникові прилади з карбіду кремнію як частину свого зарядного ланцюга для перетворення змінного струму в постійний для акумуляторної батареї, а потім повертають його у вигляді змінного струму для приводного двигуна. Оскільки виробники переходять до більш високих рівнів потужності електромобілів 800 В, такі пристрої стануть ще більш затребуваними; карбід кремнію забезпечує швидкий час перемикання, ніж традиційні пристрої на основі кремнію, і тому є привабливим варіантом.

Нижчий ризик теплового втечі

Літій-іонні акумулятори можуть розвивати побічні реакції під час процесів заряджання або розряджання, які призводять до теплового випромінювання та пожежі через перезаряджання, перерозряджання, механічне пошкодження та зовнішнє нагрівання. Щоб мінімізувати ці небезпеки, виробники повинні включати в конструкцію акумуляторів функції безпеки, такі як системи терморегулювання, які виявляють аномальні теплові явища; така технологія може виявити побічні реакції до того, як вони досягнуть критичної температури.

Тепловий розряд в літій-іонних акумуляторах виникає через те, що їхні елементи не можуть повністю розсіювати тепло, що призводить до стрибка внутрішньої температури, який викликає подальші побічні реакції, що нагрівають батарею і, зрештою, спричиняють пожежу. Однією з причин цього може бути реакція окислення анода і реакція між літієм, осадженим на його поверхні, та електролітом, що призводить до реакції літію між собою і побічних реакцій, які призводять до ще більшого нагрівання і, зрештою, до загоряння акумулятора.

Літій-іонні акумулятори повинні використовувати високоякісні матеріали, щоб мінімізувати ризики пожежі; однак їхні теплові характеристики відстають від інших систем зберігання енергії, що зумовлює потребу в альтернативних технологіях, які можуть покращити їх - одним з таких варіантів є батареї з карбіду кремнію.

Ці батареї забезпечують високу щільність потужності за меншу вартість, ніж звичайні, а також можуть служити довше; однак, щоб гарантувати їх безпечне використання в реальних умовах, необхідно провести спеціальне тестування.

Для виявлення внутрішніх коротких замикань і теплових витоків у літій-іонних акумуляторах розроблено кілька методів. Ці методи ґрунтуються на моделюванні еквівалентної схеми, експериментах з тригерами теплового вибігу акумулятора або на обох методах виявлення цих несправностей. Крім того, ці моделі можуть прогнозувати зміни напруги і температури під час нормальної циклічної роботи або теплових зловживань, які можуть вказувати на будь-які проблеми в самому акумуляторі.

Однак ці моделі прогнозування мають обмежену надійність; на їхні результати можуть впливати такі фактори, як напрямок, інтенсивність і тривалість навантаження та формат акумулятора (чохол, призматичний або циліндричний). Крім того, ці моделі застосовуються лише до великоформатних літій-іонних акумуляторів з нікель-кобальтовими або нікель-графітовими сепараторами.

Дослідники розробили інноваційне рішення для пом'якшення цих обмежень: раннє попередження про тепловий розряд. Ця методика використовує електрохімічне та теплове моделювання для прогнозування струму короткого замикання та температури в літій-іонних батареях.

Довший термін служби

Карбід кремнію обіцяє революційно змінити способи перетворення, контролю та розподілу електроенергії. Він може похвалитися вищою пробивною напругою, швидшою швидкістю перемикання, нижчим опором увімкнення та кращою теплопровідністю, ніж традиційний кремній (Si).

SiC ідеально підходить для силової електроніки, наприклад, для бортових зарядних пристроїв та DC/DC перетворювачів, що використовуються в електромобілях, які перетворюють вхідний змінний струм на постійний для зарядки акумулятора, а вихідний постійний струм з акумулятора на змінний для приводу його двигунів, завдяки своїй широкій забороненої зоні, яка поглинає більше енергії і працює при набагато вищих температурах, ніж пристрої з кремнієвими ізоляторами, що використовуються сьогодні. Завдяки цим властивостям SiC є ідеальним матеріалом для силової електроніки електромобілів, наприклад, для зарядних станцій або DC/DC перетворювачів, які перетворюють змінний струм у постійний для заряджання акумулятора перед перетворенням вихідного постійного струму з акумулятора в змінний струм для приведення в дію електродвигунів - ідеальний матеріал!

Здатність карбіду кремнію витримувати високі температури та рівні струму робить його ідеальним кандидатом для використання в салонах електромобілів (EV), де, як правило, спекотно, волого і шумно. Крім того, ефективність, надійність і довговічність карбіду кремнію забезпечують значну економію коштів порівняно з пристроями на основі кремнію.

Історично батареї для електромобілів виготовлялися з використанням графіту для анодів та іонів літію для негативних електродів. Зі збільшенням ємності батареї анод повинен зберігати більше енергії; щоб вирішити цю проблему, виробники додають невелику кількість оксиду кремнію до графітових електродів; однак це може спричинити розбухання, що призводить до короткого замикання в деяких батареях; ось чому термін служби батареї (скільки зарядів і розрядів вона може витримати до зносу) залежить від матеріалу анода.

Такі стартапи, як Ionblox, працюють над вирішенням проблеми набрякання анодів, розробляючи аноди з оксиду кремнію, які можуть розширюватися на 40% без розриву контакту з графітом, таким чином збільшуючи енергоємність і тривалість циклу без передчасного зносу. Наразі вони випробовують еластичні сполучні матеріали, додають пори в оксид для пристосування до розширення, а також вуглецеві нанотрубки для підвищення провідності як потенційні рішення.

Електричні транспортні засоби (EV) покладаються на кілька напруг, щоб функціонувати, від високовольтних систем, таких як 400 і 800 В, які приводять в дію двигуни, до низьковольтних блоків постійного/постійного струму, які заряджають і розподіляють енергію між анодними і катодними елементами. Пристрої Cree з карбіду кремнію (SiC) пропонують більшу ефективність, нижчий опір увімкнення, вищу швидкість перемикання, кращу теплопровідність, ніж пристрої з кремнію, що допомагає електромобілям мінімізувати розмір, вагу та вартість за рахунок дизайну силової електроніки.

Нижча вартість

Акумулятори з карбіду кремнію мають нижчу вартість порівняно з літій-іонними аналогами, оскільки потребують менше кобальту та нікелю для виробництва, а також є більш екологічно стійкими, оскільки використовують менше невідновлюваних ресурсів. Крім того, елементи з карбіду кремнію мають вищу щільність енергії, що дозволяє зберігати більше енергії на меншій площі, забезпечуючи електромобілям та іншим пристроям більший запас ходу.

Виробники акумуляторів наразі прагнуть створити батареї з більшою щільністю енергії та довшим терміном служби, щоб задовольнити споживчий попит на потужнішу електроніку, таку як смартфони, планшети та електромобілі. На жаль, розробка таких вдосконалених і складних батарей потребує більше часу і матеріалів; технологія карбіду кремнію потенційно може задовольнити цю потребу.

Кремній може збільшити щільність енергії літій-іонних акумуляторів, замінивши графіт в їхніх анодах. Кремній має величезну теоретичну здатність зберігати іони літію; фактично, він може зберігати в десять разів більше літію в будь-якому заданому об'ємі, ніж графіт.

Аноди з карбіду кремнію стикаються з двома різними проблемами під час літіювання літію: їхня нездатність витримувати значні зміни об'єму під час літіювання та реакції з електролітами. Через ці проблеми аноди з карбіду кремнію, як правило, мають коротший термін служби і меншу ефективність порівняно з графітовими анодами, що в кінцевому підсумку може знизити ефективність акумуляторної батареї.

Sila та Group14 створили матеріали для подолання цієї перешкоди, які мають хорошу провідність навіть після розширення. Їхній низький дифузійний бар'єр і висока ємність також сприяють прискоренню процесів заряджання/розряджання акумуляторів.

Вчені можуть досягти цих переваг, додаючи вуглець до кремнію, щоб зменшити реактивність шару SEI і збільшити механічну міцність, а також використовуючи еластичні полімерні зв'язуючі системи, які запобігають роз'єднанню оксиду кремнію з колектором струму під час розширення.

Незважаючи на значний прогрес у створенні карбідокремнієвих акумуляторів, серійні батареї, що містять цю нову технологію, ще не вийшли на масовий рівень виробництва. Виробникам електромобілів (EV) доведеться почекати і подивитися, чи зможе це революційне рішення відповідати стандартам продуктивності, надійності та довговічності, необхідним для конкуренції з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ). Тим часом літій-іонні батареї залишаються нашим основним вибором.